Mineralogy. 1. Definitions of a mineral, mineraloid, rock. 2. Chemical bonding in minerals. 3. Physical properties

Transkript

1 Mineralogy 1. Definitions of a mineral, mineraloid, rock 2. Chemical bonding in minerals 3. Physical properties

2 Minerals: the building blocks of rocks Definition of a Mineral: naturally occurring inorganic solid characteristic crystalline structure definite chemical composition

3 MINERALOID A mineraloid is a mineral-like substance that does not demonstrate crystallinity. Mineraloids possess chemical compositions that vary beyond the generally accepted ranges for specific minerals. Common mineraloids Amber (bärnsten), non-crystalline structure Jet (beckkol), non-crystalline nature Native mercury, non-solid Obsidian, volcanic glass - non-crystalline structure Opal, non-crystalline silicon dioxide Petroleum, liquid Pyrobitumen, non-homogeneous, non-crystalline structure Vulcanite, vulcanized natural or synthetic rubber, thus not a mineral due lack of crystalline structure

4 Mineral versus rock Rock or stone is a naturally occurring solid aggregate of minerals and/or mineraloids. Kalksten består av kalcit (CaCO 3 ) Sandsten består av SiO 2

5 Bonding in minerals - Ionic (NaCl) - Covalent (diamond, H 2 ) - Metallic (Fe, Au, Cu ) - Hydrogen bond (ice, water, hydrous minerals)

6 Model of atom Atomic number = number of protons Mass number = number of protons+neutrons

7 Chemical bonding in NaCl

8 Jonbindning följer av elektrostatisk attraktion mellan joner bildade genom elektronöverföring. A. Då natrium reagerar med klor bildas joner. Den ensamma elektronen i natriumatomens yttre elektronskal går över till kloratomens yttre skal med sju valenselektroner. De bildade jonerna får härvid båda yttre elektronskal innehållande åtta elektroner, dvs. ädelgasstruktur. Elektronövergången mellan natriumatomen och kloratomen och hur radierna hos de härvid bildade jonerna skiljer sig från atomernas framgår av bilden. B. Natriumjonerna och kloridjonerna kristalliserar till koksalt. I ett salt är jonerna regelbundet anordnade i rymden så att laddningarna bildar ett jongitter. I koksalt omges varje natriumjon av sex kloridjoner och varje kloridjon av sex natriumjoner. C. Bindningsavståndet mellan en positiv och en negativ atomjon svarar mot ett minimum i jonparets lägesenergi E. E kan ses som sammansatt av attraktionsenergin E a mellan två punktformiga laddningar q 1 och q 2 (enligt Coulombs lag, E a = k q 1 q 2 /R, där R är avståndet mellan jonerna och k en konstant) och en repulsionsenergi E r. Den senare beror på att när R minskar tränger sig atomernas elektronmoln alltmera in i varandra (överlappning ger Pauli-repulsion); vid tillräcklig minskning av R ökar repulsionskraften mycket hastigt, vilket är förklaringen till minimumet i E = E a + E r som funktion av R.

9 Kovalent bindning innebär att elektroner sprids ut så att de blir gemensamma för två eller flera atomer. A. Molekylföreningar bildas liksom jonföreningar genom att de ingående atomerna får ädelgasstruktur. I en vätemolekyl får de båda väteatomernas elektronmoln heliumstruktur genom att de två elektronerna samtidigt tillhör båda atomerna. Ett sådant gemensamt elektronpar kallas bindande elektronpar (markeras som ett streck mellan atomerna). B. En klormolekyl består av två kloratomer som var och en har sju valenselektroner. I klormolekylen blir vardera atomen omgiven av åtta elektroner genom att två elektroner blir gemensamma. C. I diamant bildar kolatomer ett tetraedriskt nätverk av kovalenta enkelbindningar. Alla valenselektroner är då parade till bindande elektronpar delade mellan två kolatomer så att var och en omges av åtta valenselektroner. Si O tetrahedron fundamental building block of silicates Within tetrahedron, silicon and oxygen atoms are held together by covalent bonds

10 Metallbindning I en metall bildar en eller flera valenselektroner från varje atom ett elektronmoln som är gemensamt för alla atomer. Detta ger upphov till god ledning av elektrisk ström.

11 Väte bindning Väte bindning kan endast ske mellan molekyler som har ett eller flera väte bundna till fluor (F), syre (O) eller kväve (N). Hydrogen bond (indicated by dashed line ) between oxygen (red) and hydrogen (white) belonging to two different water molecules. Inside a molecule, oxygen and hydrogen are covalently bonded. Hydrogen bonding in hydrous minerals Hydrous minerals contain water, e.g. gypsum CaSO 4.2H 2 O, mineraloid opal SiO 2.nH 2 O

12 How do we identify minerals? Physical properties: Color Luster Hardness Crystal shape Cleavage Specific gravity Other

13 Physical Properties of Minerals Crystal shape (or form): external expression of a mineral s internal atomic structure planar surfaces are called crystal faces angles between crystal faces are constant for any particular mineral Quartz (SiO 2 ) Hexagonal crystals with Pyramidally-shaped ends Pyrite (FeS 2, fool s gold) cubic crystals Pyrite

14 Crystal structure of quartz is built up from SiO 4 tetrahedra

15 Crystal form

16 Mineral Growth Minerals grow outward from a central seed to fill the available space; their shape is controlled by the shape of their surroundings

17 7 crystal systems

18 Förkortningar för enhetsceller

19 Physical Properties of Minerals Specific gravity: weight of a mineral divided by weight of an equal volume of water Range: from 0.93 (ice I) to 20 (heavy metals Pt, Au) Metallic minerals tend to have higher specific gravity than nonmetallic minerals Galena SG=7.5 Quartz SG=2.67

20 Physical Properties of Minerals Luster: How a mineral surface reflects light Two major types: Metallic luster Non-metallic luster Metallic example: Galena Non-metallic example: Orthoclase

21 Color an obvious feature of mineral, but not the reliable one, because even a slight impurity can dramatically change color Hematite Streak (strek) color of mineral in its powdered form (more reliable property than color because it usually does not vary from sample to sample) The powder is produced by rubbing the mineral on a white, porcelain plate. This only works with minerals of hardness<7 since that is the hardness of the porcelain streak plate.

22 Physical Properties of Minerals Cleavage vs. Fracture: The way a mineral breaks Cleavage: tendency of a mineral to break along planes of weakness Minerals that do not exhibit cleavage are said to fracture Do not confuse cleavage planes with crystal faces Crystal faces are just on the surface and may not repeat when the mineral is broken. Cleavage in mica (muscovite) - Thin sheets

23 Physical Properties of Minerals Cleavage is described by: Number of planes Angles between adjacent planes These are constant for a particular mineral

24 Physical Properties of Minerals Cleavage (1 direction): Example: mica

25 Physical Properties of Minerals Cleavage (2 directions): orthoclase amphibole

26 Physical Properties of Minerals Cleavage (3 directions): halite calcite

27 Physical Properties of Minerals Cleavage (4 directions): fluorite

28 Cleavage (spaltning) Cleavage in mica (muscovite) - weak bonds between thin sheets

29 Cleavage angles for augite and hornblende

30 Physical Properties of Minerals Fracture: minerals that do not exhibit cleavage are said to fracture smooth, curved surfaces when minerals break in a glass-like manner: conchoidal fracture Quartz

31 Hardness a measure of the resistance of a mineral to abrasion or scratching - materials with strong chemical bonds tend to be hard Mohs Scale of Hardness - relative scale - consists of 10 minerals, ranked 1 (softest) to 10 (hardest)

32 Physical Properties of Minerals Other properties: reaction with hydrochloric acid (calcite fizzes) taste (halite tastes salty) feel (talc feels soapy, graphite feels greasy) magnetism (magnetite attracts a magnet) - fluorescence (ruby, calcite) - luminescence (dolomite) - smell (FeAsS garlic)

33 Optical properties Example: double refraction of calcite (dubbelbrytning) In the calcite crystal, an unpolarized light is split into two polarized rays, each contributing with an own image of text written underneath the crystal

34 Pyroelectricity Tourmaline - heating tourmaline up creates an electric charge on its surface Piezoelectricity Upon compression of quartz, an electric charge develops on its surface Numerous technological applications, e.g. piezoelectric lighters, crystal quartz watches Phenomena of pyroelectricity and piezoelectricity are present only for special crystal symmetries, lacking a center of symmetry. Each pyroelectric crystal is also piezoelectric, but only some piezoelectric crystals are pyroelectric.

35 Lärare och kurslitteratur Peter Lazor tel Litteratur och studiematerial: - föreläsningar i pdf form på Studentportalen - bok Earth: An Introduction to Physical Geology, av Tarbuck och Lutgens, Prentice Hall; kapitel 3 Matter and Minerals - kompendiet Mineralkännedom och bergartskännedom av J. Holmgren, 1993 Websidor: Testa dina kunskaper i mineralogi : (välj Introduction to Earth Science, välj Minerals )